第六章 电压 电阻
知识点1——电压
●电压是形成电流的原因
水压是使水发生定向移动形成水流的原因;电压是使自由电荷发生定向运动形成电流的原因。
●电压的单位
电压的单位是伏特(V),简称伏(V),此外常见的电压单位还有千伏(kV)、毫伏(mV)和微伏(μV)。
1kV=103V,1mV=10-3V,1μV=10-6V
●电源是提供电压的装置
(1)电源把其他形式的能转化为电能。
对外供电时,电源通过用电器把电能转化为其他形式的能。
(2)常见电源的电压值:
①一节干电池的电压为1.5V;
②一个蓄电池的电压为2V;把每节电池的正、负极依次相连,组成的电池组叫串联电池组,它可以满足用电器对直流电压的不同需求。因为每节电池的电压U1相同,n节电池串联后,电池组的总电压U=nU1。
③对人体安全的电压不超过36V;
④家庭电路中电压为220V(照明电路)
●常见电压值的划分
(1)不高于36V的是安全电压; (2)1000V以下的叫低压;(3)1000V以上的叫高压。
●电压表是测量电压的仪器
电流用电流表测量,电压用电压表测量,电压表在电路中的符号是 。
在电路中,电源或用电器两端的电压可以直接用电压表测量。
表盘上的V表示直流电压表,用于测量电池等电源的直流电路电压。
●电压表读数
(1)使用电压表测电压,读数时首先分清电压表用的量程是多少,从而确认电压表相应量程每大格及每小格所代表的电压值。示数=分度值+小格数。
(2)指针偏向哪个刻度就按哪一刻度读数,不必估读,指针向两刻度线中间时,按哪一刻度读数都行,此时读数有两个正确值。
知识点3——电阻
●定义:导体对电流的阻碍作用叫电阻。
不同的导体对电流的阻碍作用不同,物理学中用电阻来表示导体对电流的阻碍作用的大小。导体的电阻是导体本身的一种特性,他的大小与是否接入电路,及加在它两端的电压和通过它的电压大小无关。
●电阻的单位
国际单位制中电阻的单位是欧姆,简称欧,符号是Ω。比欧大的常用单位还有千欧(k Ω)、兆欧(MΩ),它们的换算关系是1Ω=10-3kΩ=10-6MΩ。
第七章 欧姆定律
知识点1电流跟电压、电阻的关系
导体中的电流跟导体两端的电压和导体的电阻有关。研究它们之间的定性关系时,我们采用控制变量法。
●研究电流跟电压的关系时,控制电阻的大小不变,通过改变导体两端的电压,研究电流随电压变化的关系。
●研究电流跟电阻的关系时,保持加在导体两端的电压不变,通过改变导体的电阻,观察电流随电阻变化的关系。
知识点2欧姆定律
●欧姆定律:导体中的电流与导体两端的电压成正比,与导体的电阻成反比。
(1)欧姆定律公式. I =
U为电源电压,单位为伏(V);I为通过导体的电流,单位为安(A);R为导体的电阻,单位为欧(Ω)。
【注意】应用欧姆定律的公式进行计算时,一定要统一到国际制单位后再进行计算。欧姆定律公式中的各个物理量具有同一性,即I,U,R是对同一段导体、同一时刻而言的。
(2)U=IR R=
应用欧姆定律公式以及两个变形式进行解题时,只要知道I,U,R三个量中的两个,就可以求出第三个未知物理量。在计算和理解问题的过程中千万注意,物理量的计算不同于数学上的计算,必须用对应的物理量单位才有意义,避免将物理问题数学化,应理解每个量的物理意义。
●公式的物理意义
(1)欧姆定律的公式I = 表示,加在导体两端的电压增大几倍,导体中的电流就随着增大几倍。当导体两端的电压保持不变时,导体的电阻增大几倍,导体中的电流就减为原来的几分之一。
(2)导出式U=IR表示导体两端的电压等于通过它的电流与其电阻的乘积。
(3)导出式R= 表示导体的电阻在数值上等于加在导体两端的电压与其通过的电流的比值,由于同一导体的电阻一定(导体本身的性质),因此不能说成“导体的电阻与它两端的电压成正比,与通过它的电流成反比”
●运用欧姆定律公式解题技巧
解题时,为了便于分析问题,应先根据题意,画出电路图,并在图中标明已知物理量的符号、数值及未知物理量的符号,公式中的三个物理量的单位均使用国际(制)单位。
知识点3额定电压
●额定电压:用电器正常工作时所需的电压,叫做额定电压。如果实际电压比额定电压高很多,很可能损坏用电器;如果实际电压比额定电压低很多,用电器就不能正常工作,有时还会损坏用电器。
●额定电流:用电器在额定电压下流过的电流叫额定电流。例如,若灯泡标有“3.8V 0.3A”字样,“3.8V”是该小灯泡的额定电压,“0.3A”是该小灯泡的额定电流。一般每个用电器都标有额定电压和额定电流值,对用电器造成损坏的原因往往是电流过大,实际电流大于额定电流时,易损坏用电器,实际电流小于额定电流时,用电器不能正常工作,有时易损坏用电器。
知识点4电阻的串联与并联
●电阻的串联
(1)串联电阻的总电阻的阻值比任何一个分电阻的阻值都大。
(2)串联电阻的总电阻的阻值等于各分值R串=R1+R2+……Rn。
●电阻的并联
(1)并联电阻的总电阻的阻值比任何一个分电阻的阻值都小。
(2)并联电阻的总电阻的阻值得倒数等于各分电阻的阻值之和,即1/R=1/R1+1/R2+……1/Rn。
第八章电功率
知识点1电能
●电能和常见能量
电能是能量的一种形式,电能的获得是由各种其他形式的能量转化而来的,而完成这些能量的转化过程都是由各种各样的发电厂和各种各样的电池提供的。例如发电厂有:火力发电、水力发电、风力发电、太阳能发电等;各种各样的电池有:干电池、蓄电池、硅光电池、太阳电池等,都是提供电能的装置,其实质都是把其他形式的能量转化为电能。
动能:指的是物体运动时所具有的能量。一切运动的物体都具有动能,例如:行驶的骑车、行走的人、飞行的鸟、转动的风车都具有动能。
内能:从感观上如果物体发热了我们就说它具有内能,例如:炉火发热、电暖气发热、电炉子发热等都具有内能。
光能:物体发光时具有的能量,例如:电灯发光、太阳发光等都具有光能。
化学能:物体发生化学变化时所具有的能,其中的化学变化是指物体由一种物质生成新的物质的变化过程,例如:火力发电是靠燃料的燃烧,在燃烧过程中发生了化学变化,具有了化学能,因此火力发电过程中是把化学能转化为电能。干电池内部的构造是碳棒和锌版,它们之间可以发生化学反映使之具有化学能,再向外供电。
●用电器
我们把用电来工作的设备叫做用电器,例如:家庭常用的电灯、电视机、电冰箱、电风扇、电水壶、电炉子等都是用电器,它们的共同特点是:消耗电能,把电能转化成其他形式的能量。如图所示:
●电能的单位
“焦耳”和“千瓦时”,符号分别是“J”和“kW•h”,千瓦时远大于焦耳,它们的换算关系为1 kW•h=3.6×106J,千瓦时又叫“度”。
●电能表:俗称电度表。
(1)电能表的作用:测量用电器在一段时间内所消耗的电能。
(2)电能表的外形构造如图所示,最上面的数字以千瓦时为单位来显示已经用去的电能,中间的铝质圆盘在测量用电器消耗电能时进行转动。读数时注意,最右边的一位是小数点后的数字。
(3)计算方法,电能表计数器上前后两次读数之差,就是用电器在这段时间内的用电度数。
[注意]在读取电能表上的数字时,最右边的方框是否加双层标记都表示小数点后的数字。
●电源的分类
电源分为直流电源和交流电源。所有的电池都是直流电源,从电池得到的电流方向不变,通常叫做直流电。所有的发电机(各种各样的发电厂)都是交流电源,供电时周期性地改变方向的电流叫做交流电。交流电的应用很普遍,家庭电路中的电流,供生产用的动力线路中的电流都是交流电。通常标牌标有50H表示的是交流电的频率是50H,即1s内有50个周期;电能表必须串联接在家庭电路中,不论是直流电源还是交流电源,它们的实质都是在储存电能时把其他形式的能量转化为电能,在向外供电时把电能转化为其他形式的能量。
知识点2电功
●电功:电流所做的功叫做电功。什么是电流做功呢?例如:电流通过电灯使电灯发光,电流通过电动机使电动机旋转,电流通过电热水器使水的温度升高等都是电流做功的过程。从能量的角度分析:电流做功时消耗电能而获得了其他形式的能量。电灯发光是电能转化为光能,如果电灯越亮,说明电流做功越多,获得的光能越多。电动机和电热水器与电灯发光类似,电能分别转化为动能和热,,如果电流做功越多,则电动机转速越快,水的温度升得越高,因此电流做功的实质是:电能转化为其他形式的能量,有多少电能发生了转化,电流就做了多少功。
●电功的表示符号:W。
●单位:电流做了多少功就消耗了多少电能,电流做了多少功和消耗了多少电能,两种说法是一样的,所以,电功的单位和电能的单位相同,是“焦耳”和“千瓦时”。
知识点3 什么是电功率
电能表的转盘转动的快慢与使用不同的用电器有关,接一个热水器转盘转动得快,说明热水器消耗的能量快。接一只普通灯泡转盘转动得慢,说明普通灯泡消耗的电能慢,确切地说使用不同的用电器消耗电能的快慢不同。为了表示用电器消耗电能的快慢,物理学中因如了电功率的概念。
●电功率的物理意义:电功率是表示用电器消耗电能快慢的(也是电流做功快慢)物理量。
[注意]消耗电能快慢可以直接反映电功率的大小,如果用电器消耗电能越快,电能转化得越快,则它的电功率越大;消耗的电能越慢,电能转化得越慢,则它的电功率越小。
●电功率的表示符号及单位
(1)电功率的表示符号:P
(2)电功率的单位:“瓦特”,简称“瓦”,符号是“W”。例如我们经常观察到标有100W,40W,15W的灯泡,它们都指灯泡的电功率。另一个单位是千瓦,符号是kW,千瓦与瓦特的换算关系:1kW=103W。
[注意]各种不同的用电器,电功率各不同相同,因此各种用电器都有标牌或说明书,我们可以根据标牌和说明书提供的参数来了解她它们的电功率的大小。
●电功率的定义和定义式
(1)用电器功率的大小等于它在1s内所消耗的电能。
(2)电功率的定义式:P=W/t
(3)符号的意义和单位
W——电流做的功(消耗的电能),单位是焦耳(J)
t——所用的时间——秒(s)
P——用电器的电功率——瓦特(W)
[注意]电功率的单位是瓦特,根据P=W/t可知,如果电流做功为1J,所用时间是1s,则P=1焦耳/1秒。可见,瓦特=焦耳/秒,其中焦耳/秒由电功的单位和时间的单位组合而成的,叫做复合单位。读法是焦耳每秒。
知识点4总结电功率和电功的公式
●电功率的公式
(1)定义式P=W/t
(2)测量电功率的公式P=IU
(3)由欧姆定律推导的变形公式P=U2/R或P=I2R
●电功的计算公式
(1)W=Pt,根据电功率定义式变形的公式。
(2)W=UIt,根据P=UI和推导的公式。
(3)变形公式:W=I2Rt或W=U2t/R
晶体二极管、双极型晶体管等!!!半导体器件是导电性介于良导电体与绝缘体之间,利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件,可用来产生、控制、接收、变换、放大信 号和进行能量转换。半导体器件的半导体材料是硅、锗或砷化镓,可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。为了与集成电路相区别,有时也称为分立器件。绝大部分二端器件(即晶体二极管)的基本结构是一个PN结。半导体器件(semiconductor device)通常,利用不同的半导体材料、采用不同的工艺和几何结构,已研制出种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极管,晶体二极管的频率覆盖范围可从低频、高频、微波、毫米波、红外直至光波。三端器件一 般是有源器件,典型代表是各种晶体管(又称晶体三极管)。晶体管又可以分为双极型晶体管和场效应晶体管两 类。根据用途的不同,晶体管可分为功率晶体管微波晶体管和低噪声晶体管。除了作为放大、振荡、开关用的 一般晶体管外,还有一些特殊用途的晶体管,如光晶体管、磁敏晶体管,场效应传感器等。这些器件既能把一些 环境因素的信息转换为电信号,又有一般晶体管的放大作用得到较大的输出信号。此外,还有一些特殊器件,如单结晶体管可用于产生锯齿波,可控硅可用于各种大电流的控制电路,电荷耦合器件可用作摄橡器件或信息存 储器件等。在通信和雷达等军事装备中,主要靠高灵敏度、低噪声的半导体接收器件接收微弱信号。随着微波 通信技术的迅速发展,微波半导件低噪声器件发展很快,工作频率不断提高,而噪声系数不断下降。微波半导体 器件由于性能优异、体积小、重量轻和功耗低等特性,在防空反导、电子战、C(U3)I等系统中已得到广泛的应用 。折叠 晶体二极管晶体二极管的基本结构是由一块 P型半导体和一块N型半导体结合在一起形成一个 PN结。在PN结的交界面处,由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子要相互向对方扩散而形成一个具有空间电荷的偶极层。这偶极层阻止了空穴和电子的继续扩散而使PN结达到平衡状态。当PN结的P端(P型半导体那边)接电源的正极而另一端接负极时,空穴和电子都向偶极层流动而使偶极层变薄,电流很快上升。如果把电源的方向反过来接,则空穴和电子都背离偶极层流动而使偶极层变厚,同时电流被限制在一个很小的饱和值内(称反向饱和电流)。因此,PN结具有单向导电性。此外,PN结的偶极层还起一个电容的作用,这电容随着外加电压的变化而变化。在偶极层内部电场很强。当外加反向电压达到一定阈值时,偶极层内部会发生雪崩击穿而使电流突然增加几个数量级。利用PN结的这些特性在各种应用领域内制成的二极管有:整流二极管、检波二极管、变频二极管、变容二极管、开关二极管、稳压二极管(曾讷二极管)、崩越二极管(碰撞雪崩渡越二极管)和俘越二极管(俘获等离子体雪崩渡越时间二极管)等。此外,还有利用PN结特殊效应的隧道二极管,以及没有PN结的肖脱基二极管和耿氏二极管等。折叠 双极型晶体管它是由两个PN结构成,其中一个PN结称为发射结,另一个称为集电结。两个结之间的一薄层半导体材料称为基区。接在发射结一端和集电结一端的两个电极分别称为发射极和集电极。接在基区上的电极称为基极。在应用时,发射结处于正向偏置,集电极处于反向偏置。通过发射结的电流使大量的少数载流子注入到基区里,这些少数载流子靠扩散迁移到集电结而形成集电极电流,只有极少量的少数载流子在基区内复合而形成基极电流。集电极电流与基极电流之比称为共发射极电流放大系数?。在共发射极电路中,微小的基极电流变化可以控制很大的集电极电流变化,这就是双极型晶体管的电流放大效应。双极型晶体管可分为NPN型和PNP型两类。折叠 场效应晶体管它依靠一块薄层半导体受横向电场影响而改变其电阻(简称场效应),使具有放大信号的功能。这薄层半导体的两端接两个电极称为源和漏。控制横向电场的电极称为栅。根据栅的结构,场效应晶体管可以分为三种:①结型场效应管(用PN结构成栅极)②MOS场效应管(用金属-氧化物-半导体构成栅极,见金属-绝缘体-半导体系统)③MES场效应管(用金属与半导体接触构成栅极)其中MOS场效应管使用最广泛。尤其在大规模集成电路的发展中,MOS大规模集成电路具有特殊的优越性。MES场效应管一般用在GaAs微波晶体管上。在MOS器件的基础上,又发展出一种电荷耦合器件 (CCD),它是以半导体表面附近存储的电荷作为信息,控制表面附近的势阱使电荷在表面附近向某一方向转移。这种器件通常可以用作延迟线和存储器等配上光电二极管列阵,可用作摄像管。大学物理实验教案实验名称:PN 结正向电压温度特性的测定
1 实验目的
1)了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。
2)掌握用计算机测绘恒流条件下PN 结正向电压随温度变化的关系曲线。
3)确定PN 结的测温灵敏度。
2 实验仪器
科学工作室接口、放大器、恒流源、计算机
3 实验原理
3.1实验原理
PN 结是半导体器件的核心。在P (或N )型半导体中,用杂质补偿的方法将其中一部分材料转变成N (或P )型,这样,在两种材料交界处就形成了PN 结,它保持了两种材料之间晶格的连续性。P 区多子空穴比N 区少子空穴浓度大,空穴由P 区向N 区扩散,并与N 区的多子自由电子复合,在N 区产生正离子的电荷区;N 区多子自由电子比P 区少子自由电子浓度大,自由电子由N 区向P 区扩散,并与P 区的多子空穴复合,在P 区产生负离子的电荷区。P 区和N 区的电荷区之间形成电场,在此电场作用下产生与扩散运动相反的情况,它阻止扩散运动的进一步加强。最终形成两种运动的动态平衡。我们把这个空间电荷区叫PN 结,有时也叫作耗尽层。根据半导体理论,通过PN 结的正向电流
e I I
kT qV s f =
(1) 式中:I f ——正向电流(mA );V f ——正向压降(V );I s ——反向饱和电流(mA );q
电子电量(e );k ——波尔兹曼常数;T ——热力学温度(K )。
而:e T I kT V go
q B A s -=
(2)
式(2)中:V go ——能带间隙电压(V );A 、B ——由PN 结工艺结构所决定的常数。
由(1)、(2)式经整理后,PN 结正向压降的温度灵敏度S 为:
)(q kB T f go dT f d S V V V +--== (3)
根据这一特性,PN 结可作为温度传感器来使用。
3.2实验方法
本实验通过电加热的方法提供给PN 结一个温度可以变化的热源,利用精确的温度传感器测量温度。把待测的PN 结放置热源中,并利用恒流源给定待测PN 结一个恒定电流,PN 结两端则接入一高稳定放大器进行电压放大后,连接到自定义电压传感器来测量电压。温度传感器和电压传感器测量到的信号分别输入到500型科学工作室接口上,通过串行口与计算机连接,对电压随温度变化的数值进行实时采集。
3.2.1 温度测量方法
温度测量采用美国PASCO 公司提供的温度传感器,其温度输入与电压输出的关系式为15
.273)36000(ln 10144.136000ln 10045.210253.81
3744-⨯+⨯+⨯=---V V T (4)
根据(4)式,利用科学工作室的“实验计算机”功能,可以对温度进行实时测量。
3.2.2 电压测量方法
电压的测量采用PASCO 公司提供的电压传感器,由于采集的电压是经过放大的,因此其实际的电压输出为
A V V i (i V 为经放大后的电压,A 为放大器的放大倍数)。根据该
式,应用科学工作室的“用户自订传感器”的功能进行电压的测量。
图55—1 PN 结正向压降温度特性测定 3.3 实验内容
3.3.1 装置安装及连接
1) 按图55—1连接好实验装置。电压传感器连接到500型科学工作室的B 接口,传
感器的另外一端红色和黑色插头则分别接到电压放大器对应的红、黑输出端。恒流源的“+”输出端接到PN 结的“+”端,“-”端则连接到PN 结的“-”端。电压放大器的“+”、“-”输入端,同时分别接入恒流源的“+”、“-”输入端。
2) 待测PN 结和温度传感器则分别接入恒流源的“+”、“-”输出端。
3) 待测PN 结置入加热装置中,热敏电阻温度传感器接入科学工作室接口的C 口上。
3.3.2 电压传感器的设置
1) 熟悉PASCO 科学工作室的软件功能及使用方法。
2) 打开500型接口电源,点击科学工作室小图标,则软件自动进入工作界面。如图
55—2所示。
图55—2 科学工作室界面
3)进行科学工作室的数据采集设置。用鼠标选中模拟通道图标,按住鼠标左键并拖动
到B 接口。在传感器列表框中选择“电压传感器”,点击确定。用相同方法为C 接口选择“自订传感器”。结果如图55—2所示。
4)电压传感器的设置。鼠标移动至B 接口下的“电压传感器”图标并双击。系统默
认的电压高值为10V ,电压低值为-10V 。按图55—3所示进行相关参数的设定。在“高值”的空格中填入的数据为放大器上电压示值与放大倍数相比的结果。点击确定。
图55—3 电压传感器参数设置图 3.3.3 温度传感器的设置
1)为C 口设置一个温度传感器。
2)温度传感器的计算公式。点击科学工作室主界面“实验”下拉菜单,从下拉菜单
中选中“计算机视窗”,然后在d出的“实验计算机”(如图55—4所示)进行传感器设置。在计算名称框中填写“温度”, 简称框输入“T ”,单位框输入“℃”等字样。而后按回车键,紧接着进行计算公式编辑,在编辑框中输入计算公式:
15.273)36000(ln 10144.136000ln 10045.210253.813744-⨯+⨯+⨯=---V V T
式中的指数、对数可从)(x f 的标准函数取得,电压输入V 可从点击Input 键后连接到接口C ,并选中电压传感器,公式编辑好再按回车键,计算机便可把“C ”口采到温度传感器的输出电压输入到公式中进行计算并给出计算结果。
图55—4 实验计算机
3.3.4 数据采集及数据显示的设置
把二维图表拖入到B 或C 口,横坐标轴选“实验计算机”,纵坐标轴选电压V 。用鼠标点采样选项,单选项点慢,采样周期为5秒左右。
3.3.5 PN 结正向压降温度特性的测定
1) 待测样品选择二极管,接入恒流源。打开恒流源开关,调节其输出使二极管饱导
通。
2) 双击REC 图标,计算机开始进行数据采集,接通加热装置电源,使其温度从低到
高慢慢升高,观察计算机显示的V B ~T 关系曲线。当温度接近90 0C 时,用鼠标点击“Stop ”图标停止数据采集,同时断开加热装置的开关停止加热。
3)在曲线上确定两点,用坐标测量工具测量对应的数据。
4 教学内容
1.简要讲解实验原理(PN 结半导体器件的工作原理)。
2.介绍有关仪器及其使用方法(温度传感器与电压传感器的使用),在讲解科学工作室
的使用时结合提问题检查学生的预习情况,让学生学会用实验计算机来设定非线性输入输出
表一 锗管正向压降随温度变化数据I= 1 mA
的用户自定义传感器的各项参数。
3.讲解实验 *** 作要领及 *** 作难点。
①恒流源的恒定电流I =1mA(锗管)或I =2~8mA(硅管),不宜太大太小,恒流源不宜空
载,在更换二极管时,一定要关闭电源开关。加热过程中要保证传感器探头、PN 结与加热器接触良好。
②用投影仪边演示边让学生学习使用500型科学工作室, *** 作上要注意软件的接口连接
及设置。
4.检查学生实验状况及测量结果,并给出相应的评定结果。
5.根据评分标准批改实验报告并给出成绩。
5 实验教学组织及教学要求
1. 教学组织
1) 检查学生的预习实验报告,同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器,对本实验有
一定的感性认识。
2) 讲解实验要点及注意事项,同时以提问的方式检查学生的预习情况,加深学生
对实验原理的理解。
3) 随时注意学生的实验 *** 作过程,及时指导解决学生实验中出现的突发情况。
4) 检查每个学生的实验数据,记录实验情况。
2. 教学要求
1) 了解PN 结半导体器件的工作原理。
2) 培养学生运用计算机进行综合物理实验的能力。
3) 培养学生会使用500型科学工作室,会用实验计算机来设定非线性输入输出的
用户自定义传感器的各项参数。
6 实验教学重点及难点
1)重点:PN 结正向压降温度特性的测定。
2)难点:熟练使用500型科学工作室,会用实验计算机来设定非线性输入输出的用户
自定义传感器的各项参数。
7 实验中容易出现的问题
1)实验计算机中的公式输入。
2)传感器的各项设置。
3)与加热器的各接触点不够紧密。
8 实验参考数据
.
001648.0812.4808042.0559.31371.8033761.025719.0-=-=--=∆∆=T V k (v/℃)
5101.4300005.02322-⨯=⨯=∆=
=mv Bv v U U (v )
3
101.43005
.02322-⨯=⨯=∆==mT
BT T U U (℃)
T (℃) V (v ) 2a (v/℃)
31.559 0.33761 -0.0016533
80.371 0.25719
44232522105102.5812.48101.408042.0101.4----⨯=⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=T U V U E T v k
774109106.8102.5001648.0---⨯=⨯=⨯⨯==k k kE U (v/℃)
%
05.0)(10)001.0648.1(3=⨯±=±=-k k E C V U k k (P=0.683)
9 检查采集到的PN 结正向压降随温度变化分布图是否合理。 10 课堂实验预习检查题目
1) 学生预习报告是否完整(实验项目、实验目的、实验原理、实验步骤、记录表格等)?
2) PASCO 科学工作室的有关设置及使用,B 、C 口分别接什么传感器?用于测定什么
物理量?
3) 铜柱体的三个小孔为什么在同一个同心圆上?
11 思考题
1) 比较用户自定义和实验计算机两种传感器定义方法异同点?何时使用实验计算机
进行传感器的定义?
2) 测量值的不确定度如何确定?示值误差如何确定?
3) 通过PN 结的电流大小是非常重要的参数,试分析其对测温灵敏度的影响?
实验注意事项:1)加热后的铜柱不能用手直接接触,避免烫伤手等。
2)PN 结测件两接线柱不能接触铜块。
{
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大学物理实验报告实验55PN结正向电压温度特性的测定
大学物理实验教案
实验名称:PN 结正向电压温度特性的测定
1 实验目的
1)了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。
2)掌握用计算机测绘恒流条件下PN 结正向电压随温度变化的关系曲线。
3)确定PN 结的测温灵敏度。
2 实验仪器
科学工作室接口、放大器、恒流源、计算机
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3 实验原理
3.1实验原理
PN 结是半导体器件的核心。在P (或N )型半导体中,用杂质补偿的方法将其中一部分材料转变成N (或P )型,这样,在两种材料交界处就形成了PN 结,它保持了两种材料之间晶格的连续性。P 区多子空穴比N 区少子空穴浓度大,空穴由P 区向N 区扩散,并与N 区的多子自由电子复合,在N 区产生正离子的电荷区;N 区多子自由电子比P 区少子自由电子浓度大,自由电子由N 区向P 区扩散,并与P 区的多子空穴复合,在P 区产生负离子的电荷区。P 区和N 区的电荷区之间形成电场,在此电场作用下产生与扩散运动相反的情况,它阻止扩散运动的进一步加强。最终形成两种运动的动态平衡。我们把这个空间电荷区叫PN 结,有时也叫作耗尽层。根据半导体理论,通过PN 结的正向电流
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e I I
kT qV s f =
(1) 式中:I f ——正向电流(mA );V f ——正向压降(V );I s ——反向饱和电流(mA );q
电子电量(e );k ——波尔兹曼常数;T ——热力学温度(K )。
而:e T I kT V go
q B A s -=
(2)
式(2)中:V go ——能带间隙电压(V );A 、B ——由PN 结工艺结构所决定的常数。
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由(1)、(2)式经整理后,PN 结正向压降的温度灵敏度S 为:
)(q kB T f go dT f d S V V V +--== (3)
根据这一特性,PN 结可作为温度传感器来使用。
3.2实验方法
本实验通过电加热的方法提供给PN 结一个温度可以变化的热源,利用精确的温度传感器测量温度。把待测的PN 结放置热源中,并利用恒流源给定待测PN 结一个恒定电流,PN 结两端则接入一高稳定放大器进行电压放大后,连接到自定义电压传感器来测量电压。温度传感器和电压传感器测量到的信号分别输入到500型科学工作室接口上,通过串行口与计算机连接,对电压随温度变化的数值进行实时采集。
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3.2.1 温度测量方法
温度测量采用美国PASCO 公司提供的温度传感器,其温度输入与电压输出的关系式为15
.273)36000(ln 10144.136000ln 10045.210253.81
3744-⨯+⨯+⨯=---V V T (4)
根据(4)式,利用科学工作室的“实验计算机”功能,可以对温度进行实时测量。
3.2.2 电压测量方法
电压的测量采用PASCO 公司提供的电压传感器,由于采集的电压是经过放大的,因此其实际的电压输出为
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A V V i (i V 为经放大后的电压,A 为放大器的放大倍数)。根据该
式,应用科学工作室的“用户自订传感器”的功能进行电压的测量。
图55—1 PN 结正向压降温度特性测定 3.3 实验内容
3.3.1 装置安装及连接
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1) 按图55—1连接好实验装置。电压传感器连接到500型科学工作室的B 接口,传
感器的另外一端红色和黑色插头则分别接到电压放大器对应的红、黑输出端。恒流源的“+”输出端接到PN 结的“+”端,“-”端则连接到PN 结的“-”端。电压放大器的“+”、“-”输入端,同时分别接入恒流源的“+”、“-”输入端。
2) 待测PN 结和温度传感器则分别接入恒流源的“+”、“-”输出端。
3) 待测PN 结置入加热装置中,热敏电阻温度传感器接入科学工作室接口的C 口上。
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3.3.2 电压传感器的设置
1) 熟悉PASCO 科学工作室的软件功能及使用方法。
2) 打开500型接口电源,点击科学工作室小图标,则软件自动进入工作界面。如图
55—2所示。
图55—2 科学工作室界面
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3)进行科学工作室的数据采集设置。用鼠标选中模拟通道图标,按住鼠标左键并拖动
到B 接口。在传感器列表框中选择“电压传感器”,点击确定。用相同方法为C 接口选择“自订传感器”。结果如图55—2所示。
4)电压传感器的设置。鼠标移动至B 接口下的“电压传感器”图标并双击。系统默
认的电压高值为10V ,电压低值为-10V 。按图55—3所示进行相关参数的设定。在“高值”的空格中填入的数据为放大器上电压示值与放大倍数相比的结果。点击确定。
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图55—3 电压传感器参数设置图 3.3.3 温度传感器的设置
1)为C 口设置一个温度传感器。
2)温度传感器的计算公式。点击科学工作室主界面“实验”下拉菜单,从下拉菜单
中选中“计算机视窗”,然后在d出的“实验计算机”(如图55—4所示)进行传感器设置。在计算名称框中填写“温度”, 简称框输入“T ”,单位框输入“℃”等字样。而后按回车键,紧接着进行计算公式编辑,在编辑框中输入计算公式:
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15.273)36000(ln 10144.136000ln 10045.210253.813744-⨯+⨯+⨯=---V V T
式中的指数、对数可从)(x f 的标准函数取得,电压输入V 可从点击Input 键后连接到接口C ,并选中电压传感器,公式编辑好再按回车键,计算机便可把“C ”口采到温度传感器的输出电压输入到公式中进行计算并给出计算结果。
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图55—4 实验计算机
3.3.4 数据采集及数据显示的设置
把二维图表拖入到B 或C 口,横坐标轴选“实验计算机”,纵坐标轴选电压V 。用鼠标点采样选项,单选项点慢,采样周期为5秒左右。
3.3.5 PN 结正向压降温度特性的测定
1) 待测样品选择二极管,接入恒流源。打开恒流源开关,调节其输出使二极管饱导
通。
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2) 双击REC 图标,计算机开始进行数据采集,接通加热装置电源,使其温度从低到
高慢慢升高,观察计算机显示的V B ~T 关系曲线。当温度接近90 0C 时,用鼠标点击“Stop ”图标停止数据采集,同时断开加热装置的开关停止加热。
3)在曲线上确定两点,用坐标测量工具测量对应的数据。
4 教学内容
1.简要讲解实验原理(PN 结半导体器件的工作原理)。
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2.介绍有关仪器及其使用方法(温度传感器与电压传感器的使用),在讲解科学工作室
的使用时结合提问题检查学生的预习情况,让学生学会用实验计算机来设定非线性输入输出
表一 锗管正向压降随温度变化数据I= 1 mA
的用户自定义传感器的各项参数。
3.讲解实验 *** 作要领及 *** 作难点。
①恒流源的恒定电流I =1mA(锗管)或I =2~8mA(硅管),不宜太大太小,恒流源不宜空
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载,在更换二极管时,一定要关闭电源开关。加热过程中要保证传感器探头、PN 结与加热器接触良好。
②用投影仪边演示边让学生学习使用500型科学工作室, *** 作上要注意软件的接口连接
及设置。
4.检查学生实验状况及测量结果,并给出相应的评定结果。
5.根据评分标准批改实验报告并给出成绩。
5 实验教学组织及教学要求
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1. 教学组织
1) 检查学生的预习实验报告,同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器,对本实验有
一定的感性认识。
2) 讲解实验要点及注意事项,同时以提问的方式检查学生的预习情况,加深学生
对实验原理的理解。
3) 随时注意学生的实验 *** 作过程,及时指导解决学生实验中出现的突发情况。
4) 检查每个学生的实验数据,记录实验情况。
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2. 教学要求
1) 了解PN 结半导体器件的工作原理。
2) 培养学生运用计算机进行综合物理实验的能力。
3) 培养学生会使用500型科学工作室,会用实验计算机来设定非线性输入输出的
用户自定义传感器的各项参数。
6 实验教学重点及难点
1)重点:PN 结正向压降温度特性的测定。
2)难点:熟练使用500型科学工作室,会用实验计算机来设定非线性输入输出的用户
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自定义传感器的各项参数。
7 实验中容易出现的问题
1)实验计算机中的公式输入。
2)传感器的各项设置。
3)与加热器的各接触点不够紧密。
8 实验参考数据
.
001648.0812.4808042.0559.31371.8033761.025719.0-=-=--=∆∆=T V k (v/℃)
5101.4300005.02322-⨯=⨯=∆=
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=mv Bv v U U (v )
3
101.43005
.02322-⨯=⨯=∆==mT
BT T U U (℃)
T (℃) V (v ) 2a (v/℃)
31.559 0.33761 -0.0016533
80.371 0.25719
44232522105102.5812.48101.408042.0101.4----⨯=⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=T U V U E T v k
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774109106.8102.5001648.0---⨯=⨯=⨯⨯==k k kE U (v/℃)
%
05.0)(10)001.0648.1(3=⨯±=±=-k k E C V U k k (P=0.683)
9 检查采集到的PN 结正向压降随温度变化分布图是否合理。 10 课堂实验预习检查题目
1) 学生预习报告是否完整(实验项目、实验目的、实验原理、实验步骤、记录表格等)?
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2) PASCO 科学工作室的有关设置及使用,B 、C 口分别接什么传感器?用于测定什么
物理量?
3) 铜柱体的三个小孔为什么在同一个同心圆上?
11 思考题
1) 比较用户自定义和实验计算机两种传感器定义方法异同点?何时使用实验计算机
进行传感器的定义?
2) 测量值的不确定度如何确定?示值误差如何确定?
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3) 通过PN 结的电流大小是非常重要的参数,试分析其对测温灵敏度的影响?
实验注意事项:1)加热后的铜柱不能用手直接接触,避免烫伤手等。
2)PN 结测件两接线柱不能接触铜块
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